專利名稱：具有全息多重圖像顯示的傳感器的制作方法
具有全息多重圖像顯示的傳感器發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及一種傳感器，尤其涉及一種全息多重圖像(multiplexed image)傳感器。 發(fā)明背景呈體積全息圖形式的特別是由聚合物層制成的化學(xué)傳感器和生物 傳感器是公知的。WO-A-95/26499披露了一種傳感器，其包括由聚合材 料的薄膜制成的反射全息圖，其中所述聚合物和要被檢測(cè)的物質(zhì)發(fā)生 反應(yīng)，從而改變?nèi)D的光學(xué)特性，借以提供檢測(cè)或定量所述物質(zhì)的 裝置。更一般地說(shuō)，這個(gè)參考資料以及WO-A- 99/64308披露了用于 提供可測(cè)量的或可觀察的光學(xué)改變的體積全息圖傳感器的概念。在全息圖領(lǐng)域中，多個(gè)全息圖像以及在一個(gè)全息記錄材料上產(chǎn)生這 些圖^f象的方法是/^知的。US-A- 4509818披露了一種由一系列二維圖 像形成三維多重圖像的方法。US-A - 5103325披露了一種全息記錄一 系列二維圖像的方法，使得被觀看的全息圖像被相互分開(kāi)并且清楚地 觀看。US - A - 5734485披露了 一種產(chǎn)生三維靜止的或運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景全息 圖的方法，包括記錄計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的場(chǎng)景。這些已知的系統(tǒng)產(chǎn)生 一 組全息圖像，它們僅以在空間上的 一 種自由 度被多路傳輸，其中打算使這些圖像作為人工產(chǎn)生的三維圖像，或者 作為 一組在空間上在相應(yīng)的一組視角范圍內(nèi)分開(kāi)的圖像可由觀看者觀 看。在正常起作用時(shí)，打算使在其中形成這些全息圖的材料的光學(xué)性 能可隨時(shí)間而變化，而不打算在化學(xué)上改變這些材料。發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于提供一種提供全息圖像的多重性的全息圖傳感 器，其中一組圖像以作為傳感器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍的自由度被多路傳輸， 其中每個(gè)圖像，在可以看到時(shí)，表示動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍的一個(gè)有限區(qū)域。按照本發(fā)明的第一方面， 一種全息傳感器包括一個(gè)或幾個(gè)膜，在每 個(gè)膜的體積內(nèi)包括一組兩個(gè)或多個(gè)的全息記錄，當(dāng)傳感器由光照射時(shí)， 每個(gè)記錄提供一個(gè)反射的全息圖像，并且其中每個(gè)圖像作為一個(gè)指示 器是可由眼睛看到的，使得所述傳感器顯示對(duì)于被檢測(cè)的物質(zhì)或物質(zhì)組的一個(gè)預(yù)定范圍的濃度的響應(yīng)。更具體地說(shuō)，存在的或出現(xiàn)的每個(gè) 圖像作為傳感器對(duì)于被檢測(cè)的物質(zhì)的響應(yīng)的函數(shù)是可由眼睛看到的， 所述響應(yīng)可以涉及可視圖4象的出現(xiàn)或不出現(xiàn)，或者涉及可視圖像中的 改變。一般地說(shuō)，在一組圖像中的每個(gè)圖像具有以其在可見(jiàn)的或不可見(jiàn)的 光譜中的位置為特征的反射光譜。對(duì)于每個(gè)圖像，其在光譜中的位置 是唯一的，使得所述圖像可以利用波長(zhǎng)選擇裝置分開(kāi)，并因此按照波 長(zhǎng)被多路傳輸。
圖1表示一般由多重全息傳感器呈現(xiàn)的多重反射全息圖的多個(gè)光諉峰值的一個(gè)例子；圖2表示一般由多重全息傳感器呈現(xiàn)的多重反射全息圖的多個(gè)光 譜峰值的另一個(gè)例子；圖3a和3b是顯示改變著的有圖畫(huà)的圖像的全息傳感器的示意圖；圖4a-4d是全息傳感器的每個(gè)示意的圖畫(huà)，表示按照檢測(cè)的物質(zhì)的 數(shù)量而改變著的圖像；圖5是三維圖像的多個(gè)特征的示意的圖畫(huà)；圖6a-6e是具有改變著的數(shù)字圖像的全息傳感器的每個(gè)示意的表示；圖7a-7e是具有校準(zhǔn)的數(shù)字圖像的全息傳感器的每個(gè)示意的表示； 圖8a-8e是具有改變著的字母圖像的全息傳感器的每個(gè)示意的表示；圖9a，9b是全息傳感器的每個(gè)示意的表示，說(shuō)明呈和所述傳感器的應(yīng)用有關(guān)的信息的形式的改變著的圖像；圖10a-10c是全息傳感器的每個(gè)示意的表示，說(shuō)明呈和物質(zhì)或正被 檢測(cè)的物質(zhì)有關(guān)的信息的形式的改變著的圖像；圖11是全息傳感器的示意的表示，說(shuō)明對(duì)于固定的刻度呈運(yùn)動(dòng)著 的指示器形式的改變著的圖像；圖12是全息傳感器的示意的表示，說(shuō)明對(duì)于位于圖像深度中的刻 度的圖像呈沿圖像的深度運(yùn)動(dòng)著的指示器形式的改變著的圖像；以及圖13是一種示意的光學(xué)布置，所述光學(xué)布置可以用于使光敏的全 息膜對(duì)多個(gè)圖像曝光，以便形成有關(guān)波長(zhǎng)多重的全息傳感器。本發(fā)明的說(shuō)明
本發(fā)明的傳感器可以基本上以在WO - A - 95/26499或WO - A-99/63408中說(shuō)明的方式構(gòu)成和使用。這些專利/>開(kāi)的內(nèi)容以及此處引 用的其它的文件的內(nèi)容被包括在本說(shuō)明中作為參考。因而，例如，在 其中形成全息圖像的基體可以是化學(xué)敏感的聚合物膜，或者其可以包 括多個(gè)基本上平行的膜(相鄰或者由另一種層隔開(kāi))。在這種結(jié)構(gòu)中， 每個(gè)膜可以具有其自身的動(dòng)態(tài)范圍，每個(gè)膜可被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)或測(cè)量 一種特定的物質(zhì)。每個(gè)膜可以具有一個(gè)圖像或一個(gè)子組圖像，在傳感 器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有其自身的位置，所述動(dòng)態(tài)范圍通過(guò)具有提供多個(gè) 圖像或一組圖像的多個(gè)膜來(lái)產(chǎn)生。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明的傳感器可以呈聚合物膜的形式，或者呈被涂 覆或淀積在透明的或不透明的，柔性的，半剛性或剛性的襯底例如玻 璃、塑料、紙或金屬上的多個(gè)膜。所述襯底可以被印刷，雕刻，或者 利用圖形或字母數(shù)字標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記，使得對(duì)于所述全息圖像提供參考。
此外，傳感器可以被提供在一種材料上，所述材料是一種裝置的元 件或者構(gòu)成一種裝置，例如接觸透鏡，眼鏡片，反應(yīng)容器中的光學(xué)窗 口，儀器顯示窗，家用窗，視覺(jué)顯示裝置，或其周圍環(huán)境要被監(jiān)視或 檢測(cè)的任何元件。
此外，傳感器可以提供在一種材料上，所述材料是服裝品的元件或 者構(gòu)成服裝品，使得給予監(jiān)視或檢測(cè)關(guān)于服裝的穿戴者的環(huán)境物質(zhì)或 生理物質(zhì)的能力。
本發(fā)明可以呈多層的全息聚合物膜的形式，其和其它類型的層交
的輸送介質(zhì)。
由環(huán)境人造光或自然光提供的全息圖的照明可以直接照射到平面 上，或者，可以沿著聚合物膜的邊沿照射聚合物膜，這樣的全息圖通 常被稱為"邊沿照明"全息圖。作為本發(fā)明的敏感元件的聚合物膜可 以直接對(duì)環(huán)境物質(zhì)敏感，或者可以對(duì)在所述環(huán)境物質(zhì)和一個(gè)或幾個(gè)其 它的環(huán)境物質(zhì)之間的反應(yīng)或相互作用敏感，或者對(duì)專門(mén)提供作為全息 傳感器裝置的元件的物質(zhì)敏感。這種膜本文可以稱為化學(xué)敏感的膜， 但是這只是為了說(shuō)明而已。
各種物質(zhì)或分析物都可以利用本發(fā)明進(jìn)行檢測(cè)，其中包括但不限于現(xiàn)有技術(shù)中所述的那些；本文稱為的"一種物質(zhì)"包括使用兩個(gè)或幾 個(gè)這種物質(zhì)。分析物的例子有水，有機(jī)液體，離子，半抗原，核苷， 細(xì)胞，乙醛，酶，蛋白質(zhì)，氣體，代謝物，病毒，細(xì)菌，真菌類和酵 母。分析物或載體介質(zhì)可以和全息基體相互作用。在一個(gè)特定的例子 中，分析物處于液體中，例如水中的酶或乙醇，或者有機(jī)溶劑中的水。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，來(lái)自 一組可被觀看的圖畫(huà)圖像的每個(gè)圖 像描述和傳感器應(yīng)用相關(guān)的主題。每個(gè)圖像可以描述和由傳感器指示 的響應(yīng)狀態(tài)相關(guān)的主題。
圖像可以從一個(gè)圖畫(huà)改變?yōu)楹陀蓚鞲衅鳈z測(cè)的一種或幾種物質(zhì)的 濃度相關(guān)的另一個(gè)圖畫(huà)。圖畫(huà)圖像中的改變可以限制于圖像的一個(gè)或 幾個(gè)部分。被限制于圖像的一個(gè)部分的圖畫(huà)圖像中的改變可能是由于 對(duì)要被檢測(cè)的特定物質(zhì)的響應(yīng)，這樣，圖像的另一部分中的改變則是
由于對(duì)于被檢測(cè)的另一種特定物質(zhì)的響應(yīng)?？梢?:改變的圖像的每個(gè)
部分可以位于三維的全息圖4象中的任何位置。
在本發(fā)明的另 一 個(gè)實(shí)施例中， 一 組圖像表示 一 個(gè)許多信息的序列， 所述信息以相應(yīng)于被傳感器檢測(cè)的一個(gè)或幾個(gè)物質(zhì)的濃度的順序出 現(xiàn)。最好是，傳感器的響應(yīng)被這樣校準(zhǔn)，使得許多圖像表示和由傳感 器檢測(cè)的物質(zhì)的濃度直接相應(yīng)的許多數(shù)量。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一組圖像表示一個(gè)字母信息的序 列，所述信息以相應(yīng)于由傳感器檢測(cè)的物質(zhì)的濃度的順序出現(xiàn)。最好 是，所述字母信息呈和與傳感器的應(yīng)用有關(guān)的信息的形式。傳感器的 響應(yīng)被這樣校準(zhǔn)，使得字母信息呈直接相應(yīng)于由傳感器檢測(cè)的物質(zhì)的 濃度的信息的形式。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一組圖像的每個(gè)圖像包括一個(gè)指 示特征，其處于圖像空間中和由傳感器檢測(cè)的物質(zhì)的濃度相應(yīng)的一個(gè) 特定位置。這是虛擬儀器的一個(gè)例子。
最好是，圖像或指示特征是一個(gè)形狀。另外，所述指示特征是一個(gè) 圖畫(huà)或字母數(shù)字。
指示特征的位置的空間自由度平行于聚合物膜的平面。另外，指示 特征的位置的空間自由度不平行于聚合物膜的平面，而是沿著作為全 息圖像的可選擇的特征的圖像的深度。
最好是，在每種情況下，指示特征的位置參照可視的刻度被標(biāo)記?？梢暤目潭瓤梢宰鳛橛梢粋€(gè)全息圖提供的全息圖像被提供，所述全息 圖被記錄在和提供指示特征的聚合物層相同的聚合物層中。另外，可 視刻度可以由和提供指示特征的聚合物層不同的聚合物層提供。
可以利用照相裝置把可視刻度合并在聚合物層中。另外，可視刻度 可被印在位于全息元件附近但是和全息元件分開(kāi)的表面上。
最好是，作為全息圖像提供的可視刻度不隨由傳感器檢測(cè)的物質(zhì)的 濃度而變。
全息傳感器可以提供圖畫(huà)、字母、數(shù)字或者顯示全息響應(yīng)的空間指 示裝置的任意組合。此外，可以提供一個(gè)全息傳感器的陣列，每個(gè)傳 感器提供上述的圖畫(huà)、字母、數(shù)字或者顯示對(duì)于多種被檢測(cè)的物質(zhì)或 多種被檢測(cè)的物質(zhì)組的全息響應(yīng)的空間指示裝置的任意組合。
最好是，全息傳感器陣列的每個(gè)元件對(duì)于被檢測(cè)的物質(zhì)具有唯一的 響應(yīng)特性。
由一個(gè)全息傳感器陣列提供的可視顯示可以是一個(gè)總體圖形，其相 應(yīng)于被檢測(cè)的物質(zhì)的相關(guān)的濃度。由全息傳感器陣列顯示的圖形可以 是圖畫(huà)、數(shù)字或字母。由全息傳感器陣列顯示的字母圖形可以表示和 被檢測(cè)的物質(zhì)的相對(duì)濃度有關(guān)的信息。在上述的任何一種情況下，可以通過(guò)產(chǎn)生在由每個(gè)圖像提供的峰值 反射的波長(zhǎng)和其相鄰的波長(zhǎng)的明顯的分離來(lái)區(qū)分在由全息傳感器提供 的一組圖像中的任何一個(gè)可視圖像和其相鄰的圖像。
可以通過(guò)提供彩色傳輸濾光器來(lái)改善由全息傳感器呈現(xiàn)的圖像序 列中的任何一個(gè)可視圖像和其相鄰圖像的區(qū)分，所述濾光器位于光源 和包含全息記錄的化學(xué)敏感聚合物膜之間，或者位于用于觀看全息圖 像的眼睛和膜之間，或者直接和膜相鄰，但是在所述的膜和眼睛之間。
彩色傳輸濾光器可以是連附有化學(xué)敏感聚合物膜的材料的一個(gè)必 備特征。另外，彩色傳輸濾光器可以是化學(xué)敏感聚合物膜的一個(gè)必備 特征。在上述的任何一個(gè)全息傳感器中，對(duì)于傳感器的響應(yīng)的任何給 定的動(dòng)態(tài)范圍，彩色傳輸濾光器通過(guò)允許每個(gè)圖像的峰值波長(zhǎng)更接近 在光譜中和其直接相鄰的圖像的波長(zhǎng)，增加多重的圖像的數(shù)量。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于構(gòu)成一個(gè)全息傳感器的方 法，所述傳感器具有從圖畫(huà)、數(shù)字、字母、空間變量或陣列型的圖像 中選擇的一類或幾類多種波長(zhǎng)多重的圖像，所述方法包括在由已經(jīng)成為光敏的聚合物膜的一種膨脹狀態(tài)到另一種膨脹狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中， 使所述聚合物膜對(duì)一個(gè)全息曝光的序列曝光。
一組圖像的每個(gè)圖像具有一個(gè)特征反射光譜，其可以具有一個(gè)和所 述組中的其它圖像的峰值波長(zhǎng)不同的峰值波長(zhǎng)。
例如，在曝光之前，膨脹的初始狀態(tài)可以通過(guò)把所述聚合物膜放在
一種具有特定的PH值或特定的離子強(qiáng)度的溶液中被設(shè)置。然后，把所 述聚合物膜浸在一種具有不同的PH值或離子強(qiáng)度的溶液中，使得所述
的膜根據(jù)其響應(yīng)經(jīng)歷膨脹或收縮的轉(zhuǎn)換。
此外，可以在曝光之前通過(guò)把所述聚合物膜放在一個(gè)具有特定的相 對(duì)濕度的直接環(huán)境中來(lái)設(shè)置膨脹的初始狀態(tài)。然后，這樣改變相對(duì)濕 度，使得根據(jù)所述膜對(duì)相對(duì)濕度的響應(yīng)經(jīng)受膨脹或收縮的轉(zhuǎn)換。
另一種用于構(gòu)成一個(gè)全息傳感器的方法，所述傳感器具有從圖畫(huà)、 數(shù)字、字母、空間變量或陣列型的圖像中選擇的一類或幾類多種波長(zhǎng) 多重的圖像，包括對(duì)于每個(gè)圖像使光敏聚合物膜這樣曝光，使得在所 述物體和用于產(chǎn)生全息記錄的參考光束之間的角度對(duì)于所述特定的圖
像是唯一的。
使聚合物膜對(duì)一組圖像曝光的一種優(yōu)選的方法是使其對(duì)發(fā)射物體 的圖像的一個(gè)定時(shí)序列曝光，其中發(fā)射物體是一個(gè)光學(xué)裝置，其通常 被稱為空間光調(diào)制器，并由電子信號(hào)源控制，例如計(jì)算機(jī)或視頻攝像 機(jī)。最好是，由空間光調(diào)制器表示的物體的形式從圖畫(huà)、數(shù)字、字母、 空間變量或陣列類型中選擇。
最好是，由空間光調(diào)制器提供的圖像被這樣控制，使得在膨脹或收 縮轉(zhuǎn)換期間具有可變的空間特征，從而提供用來(lái)提供全息傳感器的裝 置，所述全息傳感器具有響應(yīng)被檢測(cè)的物質(zhì)的濃度的空間變量。
下面參照附圖僅以舉例方式說(shuō)明本發(fā)明。這些
響應(yīng)由全息 傳感器檢測(cè)的物質(zhì)或物質(zhì)組而改變的兩個(gè)或多個(gè)全息圖像。
在本發(fā)明的任何形式中，具有兩個(gè)或多個(gè)反射的全息圖像，每個(gè)圖 像具有由一個(gè)具有峰值波長(zhǎng)的窄帶頻譜表征的顏色。峰值波長(zhǎng)從由一 種周期結(jié)構(gòu)的反射和衍射的光的分量之間的結(jié)構(gòu)干涉產(chǎn)生，所述周期 結(jié)構(gòu)例如是一種全息結(jié)構(gòu)，其由包括在全息材料內(nèi)的復(fù)雜的折射率的 周期分布構(gòu)成，所述全息材料通常是一種聚合物或類似的基體。在全 息技術(shù)中，這種折射率的周期分布通常被稱為邊緣分布。峰值波長(zhǎng)用數(shù)學(xué)方法由布拉格方程確定，所述布拉格方程是
V"y'z〉 = 2.n{x,y,z}.A{x,y,z}.cos(e{x,y,z})
其中n是在由在膜中的x，y，z坐標(biāo)限定的特定位置的聚合物膜的平 均折射率。A是在相鄰的邊緣之間的局部間隔，6是入射到在膜中的 所述位置的邊緣上的光的照射的角度。
圖l表示反射強(qiáng)度光譜，具有波長(zhǎng)軸4，所述波長(zhǎng)軸表示在一個(gè)特 定狀態(tài)在傳感器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的3個(gè)光譜峰值1， 2， 3。在這個(gè)狀態(tài)下， 唯一的可視圖像是峰值2表征的圖像，其位于一般眼睛可以看到的光 譜的區(qū)域5內(nèi)，以光譜6的紫外端和光諉7的紅外端為邊界。如果形 成傳感器全息圖的聚合物膜在傳感器操作期間膨脹，則峰值1， 2， 3 的特征峰值波長(zhǎng)都向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)移動(dòng)，使得由峰值1表征的最初可在 光譜的紫外端看到的圖像在一個(gè)新的光譜位置8成為可見(jiàn)的。類似地， 由光譜峰值2表征的先前可見(jiàn)的圖像在光譜的紅外部分內(nèi)在光譜位置 9成為不可見(jiàn)的。作為傳感器全息圖的聚合物膜的收縮的全息傳感器的 響應(yīng)由峰值l， 2和3向著較短的波長(zhǎng)移動(dòng)表征。
在本發(fā)明的另 一種形式中，可以提供光譜的每個(gè)區(qū)域的多個(gè)光譜峰 值，同時(shí)保持相鄰圖像之間的區(qū)別。圖2表示眼睛可看到的或者其它 傳感器可檢測(cè)到的光譜的區(qū)域5被限制于一個(gè)較窄的區(qū)域11，所述區(qū) 域由下端30和上端7限定，所迷下端在本例中由長(zhǎng)波長(zhǎng)通過(guò)濾光器設(shè) 置，所述上端位于光譜5的一般可視部分的上端。 一般地說(shuō)，限制可 見(jiàn)光譜的裝置不限于長(zhǎng)波長(zhǎng)通過(guò)邊緣濾光器，而可以從長(zhǎng)波長(zhǎng)通過(guò)濾 光器，短波長(zhǎng)通過(guò)濾光器，帶通濾光器，或者任何其它限制整個(gè)光譜 的可檢測(cè)的部分的光學(xué)裝置中選擇。圖2表示一個(gè)反射的強(qiáng)度光譜， 具有波長(zhǎng)軸4，表示在傳感器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)在一種特定狀態(tài)下的4個(gè)光 譜峰值l, 2， 13和14。在這種狀態(tài)下，唯一的可見(jiàn)圖像是由峰值2表 征的圖像，其位于眼睛可看到的光譜的較窄的區(qū)域ll中。如果形成傳 感器全息圖的聚合物膜在傳感器操作期間膨脹，則峰值l， 2， 13和14 的特征峰值波長(zhǎng)都向較長(zhǎng)的波長(zhǎng)移動(dòng)，使得由峰值13表征的原來(lái)在光 譜的紫外端可看到的圖像現(xiàn)在成為在一個(gè)新的光譜位置16可以看到。 因?yàn)橛晒庾V峰值16表征的新的圖像出現(xiàn)，由光譜峰值2表征的原來(lái)的 可見(jiàn)圖像隨著其移動(dòng)到一個(gè)新的位置17而成為不可看到的。隨著進(jìn)一 步的膨脹發(fā)生，由峰值1表征的圖像在光譜位置16或者一些這種類似的在確定的可見(jiàn)區(qū)域ll內(nèi)的位置成為可以看到的。在光譜的每個(gè)區(qū)域 內(nèi)提供多個(gè)光譜峰值的目的在于使得響應(yīng)記錄全息圖像的聚合物膜的 小的膨脹或收縮能夠發(fā)生圖像的可視的改變。在光譜的每個(gè)區(qū)域內(nèi)提 供多個(gè)光譜峰值的目的還在于，在全息傳感器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供 較多數(shù)量的圖像。
圖3a說(shuō)明本發(fā)明的一種優(yōu)選的形式，其中示意地表示由在一件全 息材料30中的全息記錄提供的汽車的全息圖像31。在這個(gè)特定的例子 中，汽車表示設(shè)計(jì)的全息傳感器的用途是檢測(cè)個(gè)別人的呼吸中是否存 在過(guò)量的酒精?？梢允褂迷趫D3a中所示的裝置的一種方法是具有一種 原來(lái)可見(jiàn)的圖像，其在呼出的濕氣飽和時(shí)成為不可見(jiàn)的圖像。在使用 所述裝置的另一種方法中，所述圖像例如31所示的，可以是即使在飽 和狀態(tài)下也總是可見(jiàn)的。在呼吸中的過(guò)量酒精的檢測(cè)由從圖3a中的圖 像31改變?yōu)閳D3b中的圖像32來(lái)表示，圖3b的圖像32用圖畫(huà)表示被 試人員不應(yīng)當(dāng)再開(kāi)車。所示的僅是一個(gè)例子，并不排除在上述的用途 或在其它的應(yīng)用中使用其它的傳遞其它信息或命令的圖畫(huà)圖像，在這 些應(yīng)用中使用圖畫(huà)信息表示傳感器在使用前后的相關(guān)的響應(yīng)。
本發(fā)明的另一種優(yōu)選的形式在圖4a中示意地示出了，該圖表示一 種全息材料30,其在被照亮?xí)r提供一定形狀的圖像43，其中具有部分 44,借助于顏色、形狀或圖形，使其具有不同的外觀，從而使得比例 43不同。傳感器的響應(yīng)由從圖像部分44改變?yōu)閳D4b所示的圖像部分 45表示，通過(guò)占據(jù)圖像43的一個(gè)較大的部分，說(shuō)明存在的由傳感器檢 測(cè)的物質(zhì)的增加。由圖4a到圖4d所示的逐漸從部分44改變?yōu)椴糠?7， 表示對(duì)檢測(cè)的物質(zhì)的逐漸增加的數(shù)量的一 系列的響應(yīng)。在這個(gè)例子中， 圖像或圖像部分的空間改變是本發(fā)明的這個(gè)優(yōu)選形式的 一個(gè)關(guān)鍵特 征。利用本發(fā)明的這些主要特征的特定應(yīng)用的一個(gè)例子是作為醫(yī)療診 斷裝置，其表示人體的一種程式化形式的圖像，其中圖像的一部分被 照亮，以便指示和人體的相關(guān)部分相關(guān)的生化的，新陳代謝的或病理 狀態(tài)。
圖4表示一組圖像，其中圖像的特征位于空間的一個(gè)平面內(nèi)。本發(fā) 明的基本特征不限于平面圖像，而是可以在三維的全息圖像中使用。 在本發(fā)明的另 一種優(yōu)選的形式中，全息圖像或圖像部分的空間改變位 于圖像的三維空間中。圖5表示由全息材料30制成的傳感器，其提供一個(gè)三維的圖像，由軸線54在x，y，z坐標(biāo)下表示，并具有特征51， 52 和53?？梢允固卣?1, 52和53出現(xiàn)或者消失，或者借助于顏色、形 狀或圖形改變作為觀察傳感器的操作的可見(jiàn)的外觀。
在任何其中使圖像或圖像部分改變或者成為可見(jiàn)的或不可見(jiàn)的全 息傳感器中，圖像或圖像部分可以具有數(shù)字的形式，如圖6a示意地所 示。在圖6a-6e所示的數(shù)字圖像60 - 65說(shuō)明關(guān)于由傳感器檢測(cè)的物質(zhì) 或物質(zhì)組的濃度的響應(yīng)。另外，全息傳感器的數(shù)字響應(yīng)可以利用圖像 71-75對(duì)于,皮檢測(cè)的物質(zhì)或物質(zhì)組的濃度校準(zhǔn)，如圖7a-7e所示。
在任何其中使圖像或圖像部分改變或者成為可見(jiàn)的或不可見(jiàn)的全 息傳感器中，圖像或圖像部分可以具有字母的形式，如圖8a示意的所 示。圖8a-8e所示的字母圖像81-85說(shuō)明關(guān)于由傳感器檢測(cè)的物質(zhì)或 物質(zhì)組的濃度的響應(yīng)。
在任何全息傳感器中，圖像可以選擇地表示關(guān)于要使用傳感器的應(yīng) 用的數(shù)字或字母信息的組合。
在任何提供字母信息的全息傳感器中，被提供的信息可以和要使用 傳感器的應(yīng)用相關(guān)。用于檢測(cè)呼吸中的酒精的全息傳感器的例子在圖 9a中示意地示出了，其中顯示表示測(cè)量值在按照預(yù)定的規(guī)定可接受的 范圍內(nèi)的信息91。圖9b示意地表示測(cè)量值在按照預(yù)定的規(guī)定可接受的 范圍之外的信息92。
在任何提供字母信息的全息傳感器中，被提供的信息可以和被測(cè)量 的物質(zhì)或物質(zhì)組的濃度相關(guān)。圖lOa表示字母圖像lOl，其指示物質(zhì)或 物質(zhì)組的低的檢測(cè)值。圖10b和10c由圖4象102， 103分別表示正常的 和高的值。另外，被提供的信息可以是作為由全息傳感器提供的進(jìn)行 試驗(yàn)的結(jié)果的一個(gè)要被跟隨的作用過(guò)程的指示器。
呈由全息圖傳感器裝置提供的形式的簡(jiǎn)單信息的表達(dá)提供一個(gè)明 確的容易理解的結(jié)果，并且尤其適合于由各個(gè)保健部門(mén)的非專業(yè)人員、 消費(fèi)者用于快速試驗(yàn)，或者用于臨床應(yīng)用，當(dāng)然還包括其它的應(yīng)用領(lǐng) 域。
在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的形式中，如圖ll示意地表示，每個(gè)多重 的全息圖像呈點(diǎn)指示器的形式。 一系列的這種指示器按照上述的方法 被多路傳輸，最好是，在傳感器的任何一個(gè)響應(yīng)狀態(tài)只有一個(gè)所述指 示器是可見(jiàn)的。在圖ll所示的例子中，只示出了兩個(gè)指示器圖像112和113,盡管一系列沿方向114在空間上分開(kāi)的圖像提供和要被定量的 物質(zhì)或物質(zhì)組的濃度相關(guān)的序列。點(diǎn)指示器112和114以及圖中沒(méi)有 示出的其它點(diǎn)指示器參考刻度lll，其可以是圖畫(huà)或者數(shù)字。數(shù)字刻度 111提供用于定量傳感器的響應(yīng)的裝置?？潭?11可以從以下的類型中 選擇在全息材料附近印制的，在全息材料上印制的，在全息材料下 方的單獨(dú)的材料上印制的，和全息材料分開(kāi)通過(guò)照相產(chǎn)生的，在全息 材料內(nèi)部由照相產(chǎn)生的，在全息材料內(nèi)部由全息技術(shù)產(chǎn)生的，在和作 為傳感器材料的全息材料分開(kāi)的全息材料內(nèi)部利用全息技術(shù)產(chǎn)生的 等。
在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的形式中，如圖12示意地所示，每個(gè)多重 的圖像呈點(diǎn)指示器的形式，其似乎按三維布置，在全息材料30的平面 之外。在這種形式的全息傳感器中利用由全息圖像選擇地提供的特征 深度。 一系列的這種指示器按照上述的方法被多路傳輸，使得，最好 是，在傳感器的任何一個(gè)響應(yīng)狀態(tài)下只有一個(gè)指示器是可見(jiàn)的。在圖 12所示的例子中，只示出了兩個(gè)指示器圖像122和123,實(shí)際上，在 三維空間中沿方向124在空間上分開(kāi)的一系列圖像提供一個(gè)關(guān)于要被 定量的物質(zhì)或物質(zhì)組的濃度的序列。點(diǎn)指示器122， 124和其它指示器 (未示出)參考刻度121，其可以是圖畫(huà)或數(shù)字。數(shù)字刻度121提供用 于定量傳感器的響應(yīng)的裝置?？潭?21本身最好是全息圖像，其和多 重的點(diǎn)指示器圖像的序列對(duì)齊，雖然其可以從以下的類型中選擇在 全息材料附近印制的，在全息材料上印制的，在全息材料下方的單獨(dú) 的材料上印制的，和全息材料分開(kāi)通過(guò)照相產(chǎn)生的，在全息材料內(nèi)部 由照相產(chǎn)生的，在全息材料內(nèi)部由全息技術(shù)產(chǎn)生的，在和作為傳感器 材料的全息材料分開(kāi)的全息材料內(nèi)部利用全息技術(shù)產(chǎn)生的等。在全息 傳感器中使用三維全息圖像的一些優(yōu)點(diǎn)是，可以減少全息材料的面積， 從而使得能夠減少試樣的體積，減少制造成本，并節(jié)省空間。
用于構(gòu)成為了提供全息傳感器的多重的圖像的優(yōu)選的方法是使用 兩束圖像全息圖處理，例如作為例子在圖13中示出的。激光束131由 束分裂器134分裂成兩束132和133。 一個(gè)光束132由反射鏡135經(jīng)過(guò) 選擇的光擴(kuò)散器140引導(dǎo)到透明的物體136上。最好是，透明的物體 136是一個(gè)空間光調(diào)制器，其是一個(gè)視頻顯示裝置，在計(jì)算機(jī)控制下提 供圖像。另外，透明物體136可以是照相膠片。使用計(jì)算機(jī)控制的空間光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)在于，其提供的透明的物體作為要被全息記錄的圖
像可以快速地改變，以便產(chǎn)生全息圖〗象的序列。所述的透明物體136 位于成像系統(tǒng)137的物體平面處，成像系統(tǒng)137是具有一個(gè)或幾個(gè)透 鏡的一組透鏡，其在全息記錄材料138所在的圖像平面提供物體136 的圖像。第二激光束133在本例中由反射鏡139引導(dǎo)到全息記錄材料 138上，因而作為參考光束(全息技術(shù)的術(shù)語(yǔ))。圖像和參考光束組合， 從而用這種方式在全息記錄材料138內(nèi)產(chǎn)生干涉圖形，使得所述圖形 能夠被所述材料保留。記錄全息干涉圖形的方法的兩個(gè)例子是，如果 是銀基的記錄材料，則通過(guò)進(jìn)一步的化學(xué)處理，或者使用光聚合物材 料和合適的激光波長(zhǎng)。本發(fā)明的這個(gè)方面的一個(gè)基本特征是，全息記 錄材料138的膨脹狀態(tài)可以通過(guò)從pH，離子濃度，濕度，水的作用或 者任何其它改變?nèi)⒂涗洸牧系暮穸鹊姆椒ㄖ羞x擇的方法進(jìn)行控制。 在材料的每個(gè)膨脹狀態(tài)，由上述方法產(chǎn)生一個(gè)不同的全息圖像，直到 一組完整的圖形作為 一組多重圖像被記錄，所述多重圖像以上述形式 顯示全息傳感器的響應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種全息傳感器，其包括響應(yīng)要被檢測(cè)的物質(zhì)的存在而發(fā)生體積改變的薄膜聚合物基體，所述基體在其體積內(nèi)含有一組具有兩個(gè)或多個(gè)的全息記錄，當(dāng)傳感器被照亮?xí)r，每個(gè)記錄提供一個(gè)全息圖像，其中每個(gè)圖像的存在或出現(xiàn)作為傳感器對(duì)于要被檢測(cè)的物質(zhì)的響應(yīng)的函數(shù)是可由眼睛看到的，并且所述圖像提供傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，該傳感器在所述物質(zhì)存在時(shí)提供第一可見(jiàn)全息圖像，在物質(zhì)不存在時(shí)提供第二可見(jiàn)全息圖像。
2. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中每個(gè)圖像在可見(jiàn)或不可見(jiàn)光譜中具有一個(gè)唯一的位置。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中每個(gè)圖像是圖畫(huà)，數(shù)字與/或字母。
4. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中可見(jiàn)的圖像表示所述物質(zhì)， 或者發(fā)現(xiàn)所述物質(zhì)的場(chǎng)景或使用所述傳感器的場(chǎng)景。
5. 如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述可見(jiàn)的圖像是數(shù)字。
6. 如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述可見(jiàn)的圖像是字母，并 提供與所述物質(zhì)，或者發(fā)現(xiàn)所述物質(zhì)的場(chǎng)景或使用所述傳感器的場(chǎng)景 相對(duì)應(yīng)的信息。
7. 如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中可見(jiàn)圖像在圖像空間內(nèi)具有 一個(gè)相應(yīng)于或者表示所述物質(zhì)，或者發(fā)現(xiàn)所述物質(zhì)的場(chǎng)景或使用所述 傳感器的場(chǎng)景的位置。
8. 如權(quán)利要求l、 2、 4、 5、 6或7所述的傳感器，其中所述可見(jiàn)的圖像對(duì)于所述物質(zhì)的數(shù)量被校準(zhǔn)。
9. 如權(quán)利要求l、 2、 4、 5、 6或7所述的傳感器，其中還包括可 見(jiàn)的刻度。
10. 如權(quán)利要求9所述的傳感器，其中所述刻度相對(duì)于物質(zhì)的濃 度是不變的。
11. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中在一個(gè)膜內(nèi)提供多個(gè)圖像。
12. 如權(quán)利要求l所述的傳感器，其中提供至少3個(gè)圖像。
13. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中包括多個(gè)膜，每個(gè)膜在傳 感器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提供其自身的動(dòng)態(tài)范圍。
14. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中包括多個(gè)膜，每個(gè)膜響應(yīng)一種不同的物質(zhì)。
15. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中還包括顏色傳輸濾光器。
16. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中圖像由一組可見(jiàn)像素形成， 像素的圖形指示或表示所述物質(zhì)或者發(fā)現(xiàn)所述物質(zhì)的場(chǎng)景或使用所述 傳感器的場(chǎng)景。
17. 如權(quán)利要求1所述的傳感器，在要被檢測(cè)的物質(zhì)不存在時(shí)，所 迷傳感器提供一個(gè)可見(jiàn)的第一全息圖像和不可見(jiàn)的第二全息圖像，并 且隨著物質(zhì)的出現(xiàn)致使波長(zhǎng)發(fā)生變動(dòng)，第一全息圖像變?yōu)椴豢梢?jiàn)而第 二圖像變?yōu)榭梢?jiàn)。
18. 包括如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的傳感器和照明光源的裝置。
全文摘要
一種全息傳感器，其包括響應(yīng)要被檢測(cè)的物質(zhì)而經(jīng)歷改變的薄膜聚合物基體，所述基體在其體積內(nèi)含有一組具有兩個(gè)或多個(gè)的全息記錄，當(dāng)傳感器被照亮?xí)r，每個(gè)記錄提供一個(gè)全息圖像，其中每個(gè)圖像的存在或出現(xiàn)作為傳感器對(duì)于要被檢測(cè)的物質(zhì)的響應(yīng)的函數(shù)是可由眼睛看到的。所述圖像提供傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。這種傳感器可用于響應(yīng)分析物的改變或出現(xiàn)提供眼睛可見(jiàn)的圖像。
文檔編號(hào)G03H1/26GK101319995SQ20081009858
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2001年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月7日
發(fā)明者R·B·米林頓 申請(qǐng)人:精靈全息攝影有限公司